Elementos estruturais em aço inoxidável: aplicações e resistência ao fogo

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Universidade de Aveiro 2019

Departamento de Engenharia Civil

Marta Juliana Martins

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Universidade de Aveiro 2019

Departamento de Engenharia Civil

Marta Juliana Martins

Cardoso

Elementos estruturais em aço inoxidável: aplicações

e resistência ao fogo

Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, realizado sob a orientação científica do Professor Doutor Nuno Filipe Ferreira Soares Borges Lopes, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro, coorientação do Professor Doutor Paulo Jorge de Melo Matias Faria de Vila Real, Professor Catedrático do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro.

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o júri

presidente Profª. Doutora Maria Fernanda da Silva Rodrigues

Professora auxiliar no Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor Joaquim Alexandre Mendes de Pinho da Cruz

Professor Auxiliar no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor Nuno Filipe Ferreira Soares Borges Lopes

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agradecimentos Esta tese marca o final do meu percurso académico e assinala a concretização de um sonho. Assim, aproveito para expressar aqui agradecimentos a todos os que me apoiaram ao longo deste caminho.

Começo por agradecer ao meu orientador Professor Nuno Lopes pois, sem a sua valiosa ajuda, disponibilidade, conhecimento e motivação transmitidos, este trabalho não seria possível.

Ao meu coorientador Professor Paulo Vila Real, pelas sugestões, críticas construtivas e disponibilidade que dispensou para me auxiliar.

À empresa Arestalfer por me ter proporcionado o estágio e por toda a ajuda e compreensão prestadas durante o período da nossa colaboração.

Aos meus colegas da Arestalfer, agradeço a forma com fui acolhida e de como sempre me trataram como par, pela paciência, ajuda e experiência partilhadas. Aos meus amigos Daniela, Daniel, Sara, Mariana e André por sempre estarem ao meu lado.

Aos meus colegas de curso, em especial ao Carlos, Correia, Ranieri, Diego, Pata, Cátia e Rui, por todos os momentos partilhados ao longo destes anos. Por fim, agradeço à minha família, especialmente à minha mãe, por todos os ensinamentos transmitidos, carinho e compreensão e, por sempre me ter deixado seguir os meus sonhos, aconselhando e indicando os melhores caminhos a seguir.

Parte deste trabalho foi realizado no âmbito do projeto “StaSteFi - Dimensionamento ao fogo de elementos estruturais em aço inoxidável”, POCI-01-0145-FEDER-030655, suportado pelo orçamento do POCI Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (COMPETE 2020) na sua componente FEDER e pelo orçamento da Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.”

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palavras-chave Aço inoxidável, Resistência ao fogo, Elementos Estruturais, Eurocódigo 3, Revisão, Orçamentação, Projeto.

resumo A presente dissertação apresenta o estudo desenvolvido no âmbito da resistência ao fogo de elementos estruturais em aço inoxidável, realizado em paralelo com o estágio curricular na empresa Arestalfer, S.A.

O objetivo do estudo consistiu em comparar a influência na resistência ao fogo da lei constitutiva do aço inoxidável atualmente presentada no Eurocódigo 3 com a influência da nova revisão dessa mesma lei, analisando diferentes comportamentos mecânicos na resistência última do material.

Com a realização do estágio curricular pretendeu-se concretizar uma aproximação entre a realidade da experiência académica com a de uma empresa, empregando as competências adquiridas ao longo do curso nas tarefas que foram desempenhadas.

Para atingir os objetivos propostos no estudo académico, foram testados, através do software SAFIR, diversos perfis comerciais de aço inoxidável de três classes diferentes, expostos a condições de incêndio, confrontado os resultados obtidos para a versão atual do EC3 e para a sua proposta de revisão. Por fim, aplicando conceitos do estudo académico a um caso prático tratado no estágio, foi ainda realizado um cálculo simplificado de uma escada helicoidal em aço inoxidável, acompanhada da verificação de segurança desta em situação de incêndio.

O estágio curricular foi dividido em duas partes sendo a primeira o período de tempo que foi passado a elaborar orçamentos e, a segunda, o período passado no gabinete de projeto da empresa.

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keywords Stainless steel, Fire resistance, Structural elements, Eurocode 3, Revision, Budget, Design.

abstract This dissertation presents the study developed in the scope of the resistance to fire of stainless steel structural elements carried out simultaneously with a curricular internship in the Arestalfer S.A. enterprise.

The aim of this study was to compare the influence of the stainless steel constitutive law on the fire resistance currently presented in Eurocode 3 with the influence of a revision to that law by analyzing different mechanical behavior in the ultimate strength of the material.

The curricular internship bridged the reality of the academic experience with the one in a company, by using the skills acquired throughout the course in the tasks that were developed.

In order to achieve the objectives proposed in the academic study, several commercial stainless steel profiles of three different classes, exposed to fire conditions, were tested using the SAFIR software, comparing results for the current version of the EC3 and for its proposed revision. Finally, by applying concepts from the academic study to a practical case that was analyzed during the internship, a simplified calculation of a helicoidal staircase in stainless steel was also carried out, including the safety verification in a fire situation.

The curricular internship was divided in two phases. The first one consisted of budget calculation, and the second was the period spent on the design office of the company.

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Índice Geral

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ÍNDICE GERAL

ÍNDICE DE FIGURAS ... iii

ÍNDICE DE TABELAS ... v

NOMENCLATURA ... vii

1. Introdução ... 5

1.1 Enquadramento geral ... 5

1.2 Características gerais do aço inoxidável ... 5

1.3 Motivação e objetivos do estudo académico ... 9

1.4 Estrutura da dissertação ... 10

2. Aplicações na construção ... 15

2.1 Considerações gerais ... 15

2.2 Exemplos de aplicações não estruturais ... 15

2.3 Exemplos de aplicações estruturais ... 17

2.4 Considerações finais ... 20

3. Propriedades mecânicas do aço inoxidável a temperaturas elevadas ... 25

3.2 Lei constitutiva segundo o Eurocódigo 3 ... 25

3.3 Lei constitutiva segundo a proposta de revisão do Eurocódigo 3 ... 28

3.4 Adaptação das curvas das leis constitutivas ... 31

3.4.1 Lei constitutiva para o aço inoxidável 1.4301 ... 32

4. Resistência estrutural ao fogo ... 41

4.2 Regras de cálculo ... 42

4.2.1 Resistência da secção ... 42

4.2.1.1 Segundo o Eurocódigo 3... 42

4.2.1.2 Segundo a proposta de revisão do Eurocódigo 3 ... 43

4.2.2 Resistência do elemento ... 45

4.2.2.1 Segundo o Eurocódigo 3... 45

4.2.2.2 Segundo a proposta de revisão do Eurocódigo 3 ... 45

4.2.3 Comparação entre fórmulas... 46

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Elementos estruturais em aço inoxidável: aplicações e resistência ao fogo

ii

4.3.1 Modelação numérica e casos de estudo ... 49

4.3.2 Colunas ... 50

4.3.2.1 Aço inoxidável de classe 1.4301 ... 50

4.3.3 Vigas ... 58

5. Exemplo de cálculo de uma aplicação estrutural em aço inoxidável ... 69

5.2 Vigas de degraus de escada ... 70

5.2.1 Verificações de segurança para ELU para os degraus ... 71

5.2.2 Cálculo da resistência em situação de incêndio para os degraus ... 74

5.3 Coluna de suporte de escada ... 75

5.3.1 Verificações de segurança para ELU para a coluna ... 75

5.3.2 Verificação de segurança em situação de incêndio para a coluna ... 76

6. Considerações finais ... 83

6.1 Conclusões ... 83

6.2 Desenvolvimentos futuros ... 84

Referências Bibliográficas ... 87

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Índice de Figuras

iii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Mecanismo de regeneração do aço inoxidável (Euro Inox, 2002) ... 7

Figura 2 Evolução dos preços do aço inoxidável 1.4301 e 1.4401 e aço carbono (Lopes, 2019) ... 8

Figura 3 Exemplo do uso de aço inoxidável em paredes verdes (Rostan Tensile Architecture, 2018) ... 16

Figura 4 Chrysler Building, Nova Iorque, EUA (Outokumpu, 2014) ... 16

Figura 5 Edifício habitacional em Düsseldorft, Alemanha (Helzel, 2002) ... 17

Figura 6 Parliament Library Building Domes, Nova Deli, Índia e pormenor de uma ligação (SCI, 2011) ... 17

Figura 7 Ponte pedestre Newcastle Memorial Walk Newcastle, Austrália (Pilcher, 2015) ... 17

Figura 8 Aeroporto Internacional de Haneda, Tóquio, Japão (ISSF, 2016) ... 18

Figura 9 Aeroporto Francisco Sá Carneiro, Porto, Portugal ... 18

Figura 10 Obras de reabilitação das termas de São Pedro do Sul (Gazeta da Beira, 2018) ... 19

Figura 11 Fundação Champalimaud (Neves, 2019) ... 19

Figura 12 Farol da Ponta dos Capelinhos (Wikipedia, 2015) ... 20

Figura 13 Relação tensão-extensão do aço inoxidável a temperaturas elevadas (CEN, 2005b) ... 27

Figura 14 Comparação do fator de redução kE, entre o aço inoxidável e o aço carbono .. 28

Figura 15 Comparação entre o fator de redução do módulo de elasticidade, a temperaturas elevadas, de algumas classes de aço inoxidável e aço carbono ... 28

Figura 16 Relação tensão-extensão do aço inoxidável a temperaturas elevadas ... 29

Figura 17 Comparação entre a lei constitutiva apresentada no EC3 e a proposta de revisão, para 500ºC... 30

Figura 18 Comparação entre o fator kE, para o aço inoxidável da classe 1.4003, segundo o EC3 e a nova proposta ... 31

Figura 19 Ficheiro de introdução de dados para a lei constitutiva da nova geração do EC3 ... 31

Figura 20 Exemplo dos resultados obtidos para aproximação das leis constitutivas para a temperatura de 600ºC e aço inoxidável da classe 1.4301 ... 32

Figura 21 Leis Constitutivas para o aço 1.4301 ... 33

Figura 24 Leis Constitutivas para o aço 1.4003 para as temperaturas de 600ºC e 700ºC .. 35

Figura 25 Comparação dos valores da relação (kE, / ky, )0.5 para cada classe de aço inoxidável com a constante 0,85 ... 43

Figura 26 Comparação dos valores da relação (kE, / k2, )0.5 para cada classe de aço inoxidável com a respetiva constante ... 44

Figura 27 Gráfico de comparação entre o fator ky, e o fator k2, ... 45

Figura 28 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3 para uma coluna em perfil HEA200 e aço inoxidável 1.4301 no eixo forte ... 50

Figura 29 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3 para uma coluna em perfil HEA200 e aço inoxidável 1.4301 no eixo fraco ... 50

Figura 30 Resultados para o eixo yy em aço inoxidável de classe 1.4301 ... 51

Figura 31 Resultados para o eixo zz em aço inoxidável de classe 1.4301 ... 51

Figura 32 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3 para uma coluna em perfil HEB200 e aço inoxidável 1.4462 no eixo forte ... 52

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iv

Figura 33 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3 para uma coluna em perfil HEB200 e aço inoxidável 1.4462 no eixo fraco ... 52 Figura 34 Resultados para o eixo yy em aço inoxidável de classe 1.4462 ... 53 Figura 35 Resultados para o eixo zz em aço inoxidável de classe 1.4462 ... 53 Figura 36 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3 para uma coluna em perfil HEB200 e aço inoxidável 1.4003 no eixo forte ... 54 Figura 37 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3 para uma coluna em perfil HEB200 e aço inoxidável 1.4003 no eixo fraco ... 54 Figura 38 Resultados para o eixo yy em aço inoxidável de classe 1.4003 ... 55 Figura 39 Resultados para o eixo zz em aço inoxidável de classe 1.4003 ... 55 Figura 40 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3, na zona plástica, para uma coluna em perfil HEB200 e aço inoxidável 1.4003 no eixo forte ... 56 Figura 41 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3, na zona plástica, para uma coluna em perfil HEB200 e aço inoxidável 1.4003 no eixo fraco ... 56 Figura 42 Resultados para o eixo yy em aço inoxidável de classe 1.4003, na adaptação à zona aproximadamente elástica ... 57 Figura 43 Resultados para o eixo zz em aço inoxidável de classe 1.4003, na adaptação à zona aproximadamente elástica ... 57 Figura 44 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3 para uma viga com perfil IPE220 e aço inoxidável 1.4301 ... 58 Figura 45 Resultados obtido para uma viga, sujeita a flexão, com perfil IPE220 e aço inoxidável 1.4301 ... 59 Figura 46 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3 para uma viga com perfil IPE220 e aço inoxidável 1.4462 ... 59 Figura 47 Resultados obtido para uma viga, sujeita a flexão, com perfil IPE220 e aço inoxidável 1.4462 ... 60 Figura 48 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC 3 e a nova geração do EC3 para uma viga com perfil IPE220 e aço inoxidável 1.4003 ... 61 Figura 49 Resultados obtido para uma viga, sujeita a flexão, com perfil IPE220 e aço inoxidável 1.4003 ... 61 Figura 50 Comparação entre resultados numéricos obtidos para o EC3 e a nova geração do EC3, na zona plástica, para uma viga com perfil IPE200 e aço inoxidável 1.4003 ... 62 Figura 51 Resultados para uma viga em perfil IPE220, em aço inoxidável de classe 1.4003, na adaptação à zona aproximadamente elástica ... 63 Figura 52 Alçado do degrau ... 70 Figura 53 Seções transversais consideradas: (a) secção a meio comprimento (S2); (b) secção no apoio (S1) ... 70 Figura 54 Deformada obtida para o cálculo do momento resistente da viga ... 72 Figura 55 Deformada obtida para o cálculo do momento característico da secção

transversal obtido numericamente ... 72 Figura 56 Deformada obtida para o cálculo do momento critico obtido através da análise numérica ... 73 Figura 57 Deformada obtida para o cálculo da temperatura crítica numérica para o degrau ... 75

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Índice de Tabelas

v

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 Tipos de aço inoxidável mais usados e respetivas classes (CEN, 2006a) ... 15

Tabela 2 Valores nominais de tensão de cedência, tensão última de cedência e módulo de elasticidade para aço inoxidável estrutural (CEN, 2006a) ... 25

Tabela 3 Expressões para determinar a relação tensão-extensão para aço inoxidável a temperaturas elevadas(CEN, 2005b) ... 26

Tabela 4 Valores tabelados para aço inoxidável de classe 1.4301 à temperatura de 400ºC ... 33

Tabela 9 Valores tabelados para aço inoxidável de classe 1.4462 á temperatura de 500ºC ... 34

Tabela 16 Propriedades da secção para determinação da resistência ... 44

Tabela 17 Fórmulas usadas para o cálculo do esforço axial ... 46

Tabela 18 Fórmulas usadas para o cálculo do esforço de flexão ... 47

Tabela 19 Valores de  para ambos os eixos e para aço inoxidável de classe 1.4301... 47

Tabela 20 Valores de LT em diferentes condições para aço inoxidável de classe 1.4301 47 Tabela 21 Valores de para ambos os eixos e para aço inoxidável de classe 1.4462... 48

Tabela 22 Valores de LT em diferentes condições para aço inoxidável de classe 1.4462 48 Tabela 23 Valores de para ambos os eixos e para aço inoxidável de classe 1.4003... 48

Tabela 24 Valores de LT em diferentes condições para aço inoxidável de classe 1.4003 48 Tabela 25 Secções transversais usadas na análise de colunas ... 49

Tabela 26 Secções transversais usadas na análise de vigas ... 49

Tabela 27 Propriedades do material ... 69

Tabela 28 Combinações de ações consideradas para efeito de verificação de segurança .. 70

Tabela 29 Cargas consideradas para verificações de segurança dos degraus ... 71

Tabela 30 Resultados obtidos para a secção do apoio dos degraus em ELU ... 71

Tabela 31 Momento resistente obtido pelas metodologias aplicadas ... 73

Tabela 32 Combinações de ações em situação de incêndio ... 74

Tabela 33 Resultados obtidos para a secção do apoio dos degraus em situação de incêndio ... 74

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vi

Tabela 34 Temperatura crítica dos degraus ... 74

Tabela 35 Cargas consideradas para a verificação de segurança da coluna ... 75

Tabela 36 Dados da coluna em perfil CHS 219,1 x 6mm ... 76

Tabela 37 Resultados obtidos para a coluna em ELU ... 76

Tabela 38 Resultados obtidos para a coluna em situação de incêndio ... 76

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Nomenclatura

vii

NOMENCLATURA Letras do alfabeto latino

A área

Aeff área efetiva

E módulo de elasticidade à temperatura 

E0.2p, _{inclinação a} fpo.2,

f0.2p,

tensão limite convencional de proporcionalidade, referida à tensão de cedência a 20ºC

fu tensão última do aço

fy tensão de cedência do aço a 20ºC

fy, tensão de cedência do aço a temperaturas elevadas

k0.2p,

fator de redução para o valor de cálculo da tensão de cedência de secções da Classe 4

k2,

fator de redução da tensão de cedência do aço à temperatura atingida no instante t

kE,

fator de redução para a inclinação da reta que representa o domínio elástico à temperatura do aço a atingida no instante t

ky,

fator de redução da tensão de cedência do aço à temperatura atingida no instante t

l comprimento a 20ºC

Weff módulo de flexão efetivo

Wpl módulo de flexão plástico

Mb,Rd momento resistente da secção transversal

MRk momento resistente característico da secção transversal

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viii

Caracteres do alfabeto grego

l alongamento induzido pela temperatura

0.2p, extensão total correspondente a fpo.2,

 extensão, fator que depende de fy

u, extensão última

 temperatura

a temperatura do aço

a condutibilidade térmica do aço inoxidável

 , esbelteza a temperaturas elevadas

 tensão

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Capítulo 1

(24)

(25)

Introdução

1.1 Enquadramento geral

1.2 Características gerais do aço inoxidável

1.3 Motivação e objetivos

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Introdução

5

1. INTRODUÇÃO

1.1 Enquadramento geral

A presente dissertação apresenta o estudo desenvolvido no âmbito da resistência ao fogo de elementos estruturais em aço inoxidável, realizado em paralelo com o estágio curricular na empresa Arestalfer, S.A.

1.2 Características gerais do aço inoxidável

À tipologia de aço resistentes à corrosão e ao calor dá-se o nome de aço inoxidável. Este contém na sua composição química, no mínimo, 10,5% de crómio. Assim como existem diferentes classes de aço carbono com diferentes requisitos de resistência, soldabilidade e tenacidade, também existem diferentes variedades de aços inoxidáveis, com diferentes níveis de resistência mecânica e de resistência à corrosão. Os aços inoxidáveis são divididos em grupos dependendo da adição de elementos liga, que modificam as propriedades mecânicas e resistência a diferentes ambientes corrosivos sendo, por isso, importante a adequada escolha do aço mediante a sua aplicação futura (SCI, 2017).

Assim, e tal como referido anteriormente, o aço inoxidável pode ser dividido em cinco grupos:

 Austeníticos: possuem entre 17% a 18% de crómio e 8 a 11% de níquel. Para além de apresentarem uma boa resistência à corrosão, têm grande ductilidade, boa soldabilidade e são facilmente deformáveis a frio, sendo por isso, o grupo mais utilizado na construção.

 Ferríticos: têm entre 10.5% a 18% de crómio, contendo uma percentagem muito baixa de níquel, fazendo com que a sua estrutura atómica seja semelhante à dos aços carbono. As suas características químicas fazem com que apresente custos mais baixos que os aços do grupo austenítico com a mesma classe de resistência à corrosão, mas são em geral, menos dúcteis e têm menos soldabilidade. Este tipo de aço tem aplicação em zonas interiores e exteriores com condições atmosféricas amenas.

 Duplex ou austeníticos-ferríticos: têm uma microestrutura entre a austenite e a ferrite e contêm entre 20% a 26% de crómio e 1 a 8% de níquel. Por terem uma menor quantidade de níquel que outras classes de aços austeníticos, apresentam custos mais baixos. Possuem uma resistência mecânica aproximadamente duas

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6

vezes superior à dos aços austeníticos em condições recozidas o que possibilita a utilização de secções mais reduzidas. Este pode ser um fator benéfico em estruturas onde o peso próprio seja um fator importante, como é o caso das plataformas offshore ou pontes, sendo apropriados para ambientes corrosivos. Apresentam boa ductilidade quando comparados com os austeníticos, mas são menos deformáveis devido a sua alta resistência, têm boa soldabilidade e boa resistência à fissuração causada por corrosão.

 Martensíticos: estes aços são menos dúcteis e mais suscetíveis a fendas do que os aços do grupo ferrítico, austenítico e duplex. São, por isso, usados em situações onde a sua resistência ao desgaste, abrasão e dureza possam ser aproveitados como, por exemplo, em instrumentos cirúrgicos, talheres ou pás de turbinas. A sua soldabilidade é limitada por requererem tratamentos a quente pré e pós soldadura.  Endurecidos por precipitação: com 18% de crómio e 8% de níquel na sua

composição, têm, em geral, uma resistência à corrosão melhor que a dos aços martensíticos e semelhante à dos austeníticos. São usados em aplicações que requerem materiais com elevada resistência mecânica e moderada resistências à corrosão como na indústria aeroespacial, podendo ser usados também em barras à tração, cabos e parafusos. Devido às suas características, os aços dos grupos martensíticos e endurecidos por precipitação não são de uso comum na construção. As muitas vantagens do aço inoxidável face ao aço carbono, fazem com que seja um material com cada vez mais aplicações na construção civil.

A resistência à corrosão é a principal vantagem e motivo para a maioria das aplicações estruturais do aço inoxidável. A percentagem de crómio determina o quão resistente o aço pode ser em ambientes corrosivos. Um aço inoxidável com elevadas percentagens de crómio poderá ser empregue em ambientes em contacto com soluções ácidas ou alcalinas enquanto que aços com percentagens mais baixas podem ser utlizados em ambientes expostos à atmosfera ou em contacto com água sem sofrer corrosão.

Esta resistência à corrosão é ainda acompanhada de uma característica única chamada de self-repair ou regeneração. Este fenómeno deve-se a uma camada superficial formada espontaneamente por óxidos de crómio que ocorre quando entra em contacto com o ar ou outro elemento oxidante (Figura 1). Assim, mesmo que o aço inoxidável sofra algum risco ou outro dano superficial, esta camada passiva regenerar-se-á instantaneamente não

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Introdução

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necessitando, portanto, de nenhuma proteção contra a corrosão para permanecer com aspeto brilhante mesmo depois de décadas de uso (Euro Inox, 2002).

Figura 1 Mecanismo de regeneração do aço inoxidável (Euro Inox, 2002)

A excelente resistência do aço inoxidável à corrosão faz com que seja menos frequente a necessidade de inspeções e custos, reduzindo assim a necessidade de manutenção e aumentando a vida útil da estrutura (SCI, 2017).

O facto de o aço inoxidável não necessitar de uma camada anticorrosão facilita a manutenção dos seus elementos, uma vez que não será necessário proceder a reparações caso a camada seja danificada como ocorre com elementos de aço carbono.

A ductilidade no aço inoxidável diminui com o teor de carbono, o que significa que este tem uma ductilidade superior à do aço carbono. Assim, o seu comportamento em situações que apliquem esta características, como no caso da resistência a ações sísmicas, tenderá a ser melhor.

A presença de crómio na constituição do aço inoxidável, para além de ser benéfica para a corrosão, é também importante na sua resistência a altas temperaturas. A sua resistência a altas temperaturas é a razão, depois das suas propriedades corrosivas, pela qual os aços inoxidáveis são escolhidos em detrimento do aço carbono, podendo-se encontrar diversas aplicações em que esta resistência é importante como, por exemplo, na indústria química ou de centrais de inceneração de resíduos.

A aparência estética é também uma vantagem face a outros materiais pois a superfície com aspeto espelhado e a fácil manutenção do aço inoxidável fazem com que seja um material de aparência moderna e atrativa.

O aço inoxidável usado na construção contém uma grande percentagem de matérias recicláveis e reciclados, o que permite que no final da sua vida útil possa ser totalmente reciclado sem perder qualidade. Um estudo internacional recente feito pela International Stainless Steel Forum (ISSF) determinou que cerca de 92% do aço inoxidável usado em

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aplicações arquitetónicas e na construção é recuperado e reciclado no final do seu ciclo de vida. A reciclabilidade do aço inoxidável, aliada às mencionadas anteriormente, contribui para uma construção mais sustentável sendo que o seu ciclo de vida longo contribui para a redução do uso de recursos naturais (SSINA, 2010).

A empresa finlandesa Outokumpu refere que usando metais recuperados de resíduos e subprodutos de produção, permite atingir uma percentagem de 87% de aço inoxidável produzido com conteúdo reciclado, sendo que a média da indústria a nível mundial andará na casa dos 60% (Outokumpu, 2018).

Outro aspeto importante e que torna o aço inoxidável um produto “amigo do ambiente” prende-se com o facto de não requerer revestimento superficial que se poderia deteriorar e provocar contaminação ambiental (SSINA, 2010).

As desvantagens que podem ser apontadas ao aço inoxidável são os preços elevados em comparação com o aço carbono, como se pode observar na Figura 2, no registo mais recente, placas em aço inoxidável 1.4301 são 3.5 vezes mais caras que as em aço carbono e, placas em aço inoxidável 1.4401 têm um custo 5.3 vezes superior ao aço carbono. A disponibilidade limitada de secções no mercado e a soldabilidade podem ser também apontadas como desvantagens dado que, sendo o aço inoxidável uma liga metálica, é necessário ter especial cuidado quanto à técnica de soldadura a ser usada bem como o material enchimento (Kotecki & Armao, 2003).

Figura 2 Evolução dos preços do aço inoxidável 1.4301 e 1.4401 e aço carbono (Lopes, 2019)

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Introdução

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1.3 Motivação e objetivos do estudo académico

Nos últimos anos, tem-se observado um aumento no uso de aço inoxidável em edifícios, principalmente, devido às suas propriedades corrosivas e longa vida útil. O aço inoxidável é dividido em cinco grupo distintos, diferenciados pela sua composição química. Dentro desses grupos de aço inoxidável, as classes de aços ferríticos e austenítico-ferriticos, caracterizados por terem menor percentagem de níquel na sua composição, resultam num custo mais baixo quando comparados as classes aços inoxidáveis austeníticos. Estas classes têm resistência comparável ou até maior que o aço carbono e boa resistência à corrosão a um custo menor (Rossi, 2014).

Um dos aspetos mais importantes a avaliar no desempenho de estruturas em aço inoxidável é o comportamento em situação de incêndio, pois quando sujeito temperaturas elevadas, apresenta instabilidade que se traduz num comportamento mecânico não linear. Uma elevada condutividade térmica permite uma propagação rápida da temperatura, o que se traduz na degradação das suas propriedades mecânicas principais.

Quando comparado com o aço carbono, utilizar aço inoxidável pode, em algumas situações e recorrendo-se a análises de cálculo avançadas, abdicar do uso de materiais de proteção contra incêndio (Azevedo, 2017).

A Parte 1-4 do Eurocódigo 3, EN 1993-1-4 (CEN, 2006a), é utilizada para a análise da resistência do aço inoxidável, referindo as regras de cálculo estrutural para elementos estruturais à temperatura normal. Para a avaliação de resistência ao fogo, é usada a Parte 1-2 do mesmo Eurocódigo, EN 1993-1-1-2 (CEN, 1-2005b). O facto de ser prescrita uma verificação igual para aço inoxidável e aço de carbono, apesar destes terem leis constitutivas em situação de incêndio diferentes, como consta no Anexo C da EN 1993-1-2 (CEN, 1993-1-2005b), revela a necessidade de estudos neste âmbito.

Diversos estudos sobre estruturas de aço inoxidável têm sido desenvolvidos nos últimos anos, resultando em novas propostas de cálculo, desenvolvidas por especialistas como Leroy Gardner ou Enrique Mirambell (Gardner, 2005) (Real & Mirambell, 2003).

Assim, o estudo a ser levado a cabo, apresentado neste relatório, pretende analisar a influência de diferentes comportamentos mecânicos na resistência última, comparando as metodologias previstas no Eurocódigo 3 com a proposta de revisão do EC3, apresentada pelo CEN TC 250/SC 3/WG 2 (Eurocode 3 Part 1-2).

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Para atingir o objetivo proposto, a metodologia adotada será usar como ferramenta o programa de cálculo SAFIR, de modo a obter simulações numéricas que possam ser comparadas e discutidas.

Por fim, realiza-se um exemplo de cálculo de uma aplicação estrutural em aço inoxidável, aplicando conceitos do estudo académico a um caso prático tratado no estágio.

1.4 Estrutura da dissertação

A dissertação foi dividida em 6 capítulos, sendo que o primeiro contém o enquadramento geral, as características do aço inoxidável, a motivação e objetivos e a estrutura do documento.

O Capítulo 2 apresenta exemplos de aplicação do aço inoxidável na construção civil. No Capítulo 3 são abordadas as propriedades mecânicas do aço inoxidável, segundo o Eurocódigo 3 e segundo a proposta de revisão e ainda a adaptação feita às curvas das leis constitutivas.

O Capítulo 4 trata da resistência estrutural ao fogo, apresentando as regras de cálculo e os resultados obtidos para o estudo realizado com elementos finitos de viga, com lei constitutiva unidimensional, não se abordando encurvadura local.

No Capítulo 5 é apresentado um exemplo de cálculo de uma aplicação estrutural em aço inoxidável de uma escada tratada no âmbito do estágio curricular, aplicando conceitos do estudo académico.

O Capítulo 6 contêm as principais conclusões retiradas no decorrer do estudo, bem como desenvolvimentos futuros.

Este trabalho conta ainda com um anexo onde se apresenta todo o trabalho desenvolvido no âmbito do estágio curricular.

(33)

Capítulo 2

Aplicações na construção

´

(34)

(35)

Aplicações na construção

2.1 Considerações gerais

2.2 Exemplos de aplicações não estruturais

2.3 Exemplos de aplicações estruturais

(36)

(37)

15

2. APLICAÇÕES NA CONSTRUÇÃO 2.1 Considerações gerais

Desde que foi criado, há mais de 100 anos, o aço inoxidável tem sido usado na construção por ser apropriado para aplicação em edifícios situados em ambientes agressivos, como áreas costeiras, instalações offshore, instalações nucleares ou instalações químicas. Os tipos mais comuns de aço inoxidável usados em aplicações estruturais são os dos grupos austenítico, austenítico-ferríticos e ferríticos devido às suas características. Na Tabela 1 são apresentadas as classes de aços inoxidáveis mais usuais, segundo a Parte 1-4 do Eurocódigo3, sendo que, destas, apenas a classe 1.4003 dos ferríticos, as classes 1.4301, 1.4401, 1.4404 e 1.4571 dos austeníticos e a classe 1.4462 dos austeníticos-ferríticos são referenciadas na Parte 1-2 do Eurocódigo 3 (CEN, 2005b).

Tabela 1 Tipos de aço inoxidável mais usados e respetivas classes (CEN, 2006a)

Tipos de aço inoxidável Classes Ferríticos 1.4003, 1.4016, 1.4512 Austeníticos 1.4306, 1.4307, 1.4541, 1.4301, 1.4401, 1.4404, 1.4539, 1.4571, 1.4432, 1.4435, 1.4311, _{1.4406, 1.4439, 1.4529, 1.4547, 1.4318} Austeníticos-ferríticos 1.4362, 1.4462

2.2 Exemplos de aplicações não estruturais

As paredes verdes ou green walls são uma solução construtiva, cada vez mais usada, trazendo grandes benefícios para os edifícios em que são aplicadas. Para além de ajudar a melhorar a qualidade térmica dos edifícios e reduzir as transições sonoras vindas do exterior, em termos ambientais, melhora a qualidade do ar, ajuda na prevenção de cheias e ainda traz benefícios para a qualidade de vida, pois espaços verdes em meio urbano ajudam a reduzir níveis de stress.

Usar cabos de aço inoxidável ou redes por onde plantas trepadeiras se possam fixar proporciona uma alternativa às paredes verdes tradicionais sendo que, implementar uma solução destas numa estrutura existente pode ser facilmente conseguido.

Na Figura 3 encontra-se ilustrado um exemplo do uso de aço inoxidável em paredes verdes, onde se tira partido das suas características de corrosão.

(38)

16

Figura 3 Exemplo do uso de aço inoxidável em paredes verdes (Rostan Tensile Architecture, 2018)

O aço inoxidável apresenta boas características para ser usado em coberturas uma vez que, é um material bastante durável que requer pouca manutenção, podendo ser usado, por exemplo, em edifícios expostos a vento marítimos ou que tenham um tempo de vida útil longo.

Uma aplicação em que pode ser benéfico empregar aço inoxidável é em coberturas verdes, à semelhança do que acontece com as paredes verdes.

O Chrysler Building, (Figura 4), foi contruído em 1930 e a sua cobertura, em aço inoxidável, nunca foi sujeita a nenhum processo de reparação e teve apenas duas operações de limpeza, uma em 1961 e a última em 1995 (Outokumpu, 2014).

Figura 4 Chrysler Building, Nova Iorque, EUA (Outokumpu, 2014)

O aço inoxidável é ainda abundantemente utilizado em fachadas por ser apelativo do ponto de vista estético, apresentar elevada durabilidade e não requerer uma manutenção especial. Na Figura 5 é apresentado um dos muitos exemplos do uso de aço inoxidável. Neste caso é o edifício habitacional localizado em Zollhof, Düsseldorft na Alemanha.

(39)

17

Figura 5 Edifício habitacional em Düsseldorft, Alemanha (Helzel, 2002)

2.3 Exemplos de aplicações estruturais

Para a biblioteca do Parlamento indiano (Figura 6), foi usado aço inoxidável em componentes estruturais, por motivos de enquadramento na envolvente e pelas suas características de resistência à corrosão (SCI, 2011).

Figura 6 Parliament Library Building Domes, Nova Deli, Índia e pormenor de uma ligação (SCI, 2011)

Uma aplicação estrutural em que o aço inoxidável é muito utilizado é em pontes, principalmente em pontes pedestres.

Para a ponte pedestre Newcastle Memorial Walk (Figura 7), a escolha do aço inoxidável para a sua construção deve-se à necessidade de um material com boa durabilidade e boas características de corrosão, pois devido à proximidade com a linha de costa.

(40)

18

O aço inoxidável é também, muitas vezes, empregue em aeroportos e outras estações de transporte.

Um exemplo estrutural em que foi usado este material é no caso da expansão do aeroporto de Tóquio no Japão (Figura 8). A escassez de terreno fez com que uma pista de aterragem tivesse de ser construída sobre o oceano. A estrutura de suporte foi realizada em aço inoxidável por ser a opção economicamente mais viável mantendo a qualidade desejada (ISSF, 2016).

Figura 8 Aeroporto Internacional de Haneda, Tóquio, Japão (ISSF, 2016)

Outro exemplo de aplicação estrutural do aço inoxidável pode ser encontrado no Aeroporto Francisco Sá Carneiro, no Porto, em Portugal. Na Figura 9 encontra-se um pormenor da implementação de aço inoxidável neste aeroporto.

Figura 9 Aeroporto Francisco Sá Carneiro, Porto, Portugal

As termas de São Pedro do Sul, em Portugal, situadas na margem do rio Vouga a cerca de 500 metros da nascente de água termal, são de fundação romana e classificadas como Monumento Nacional desde 1938. Desde a sua construção foram um espaço utilizado, mas na década de 80 do século passado o abandono e degradação tiveram início, passado a servir

(41)

19

de armazém de barcos (Ribeiro, 2017). Os sinais das utilizações que foram dadas ao espaço estão marcados na estrutura, mas a estrutura romana inicial prevaleceu. O projeto de reabilitação e conservação teve como objetivo recuperar o edifício com o mínimo de intervenção possível.

Sendo este um espaço onde o teor de humidade e exposição da estrutura à água é permanente, para esta reabilitação foi escolhido usar aço inoxidável nas novas estruturas de reforço. Todos os elementos metálicos utilizados neste projeto deverão ser em aço inoxidável do tipo austenítico 1.4404.

Figura 10 Obras de reabilitação das termas de São Pedro do Sul (Gazeta da Beira, 2018)

A caixilharia da Fundação Champalimaud, localizada em Lisboa, é um exemplo da escolha de aço inoxidável em ambiente corrosivo e na Figura 11 pode-se visualizar a utilização deste material.

Figura 11 Fundação Champalimaud (Neves, 2019)

Também o Farol da Ponta dos Capelinhos (Figura 12), na ilha do Fail, Açores, que foi alvo de obras de reabilitação no ano de 2005, contou com uma nova cúpula em vidro e aço inoxidável.

(42)

20

Figura 12 Farol da Ponta dos Capelinhos (Wikipedia, 2015)

Diversos outos exemplos de aplicação do aço inoxidável na construção podem ainda ser encontrados em Portugal pois, devido à extensa linha de costa e o seu ambiente corrosivo para o aço carbono, encontram-se edificios onde a utilização de aço inoxidável foi a opção considerada.

2.4 Considerações finais

Neste capítulo foram apresentadas diversas aplicações que o aço inoxidável pode ter na construção civil.

Pode-se aferir, assim o papel cada vez mais relevante que o aço inoxidável tem em elementos estruturais, onde se tira proveito das enumeras vantagens que este apresenta fase ao uso de aço carbono.

(43)

Capítulo 3

(44)

(45)

Propriedades mecânicas do aço inoxidável a temperaturas elevadas

3.2 Lei constitutiva segundo o Eurocódigo 3

3.3 Lei constitutiva segundo a proposta de revisão do Eurocódigo 3

3.4 Adaptação das curvas das leis constitutivas

(46)

(47)

25

3. PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO INOXIDÁVEL A TEMPERATURAS ELEVADAS

Um dos aspetos que diferencia o comportamento do aço carbono do do aço inoxidável é a sua relação tensão-extensão. O aço inoxidável apresenta um comportamento não linear sem que tenha uma extensão de cedência bem definida, enquanto que o aço carbono tem um comportamento elástico-linear, atingindo uma tensão de cedência e um patamar de cedência antes de sofrer endurecimento por deformação (SCI, 2017).

O aço inoxidável ainda é um material pouco utilizado em elementos estruturais devido ao desconhecimento sobre as suas características e o uso que lhe pode ser dado. Disto resulta que a sua lei constitutiva seja alvo de estudos que pretendem melhorar a abordagem proposta no EC3.

3.2 Lei constitutiva segundo o Eurocódigo 3

Para aços inoxidáveis dos quais são conhecidas as propriedades mecânicas a altas temperaturas, são apresentados valores característicos na Tabela 2, para perfis laminados a quente. A tensão de cedência, fy, o modulo de elasticidade, E, e a tensão última , fu, à temperatura ambiente, são valores dados pela Parte 1-4 do EC3 (CEN, 2006a).

Tabela 2 Valores nominais de tensão de cedência, tensão última de cedência e módulo de elasticidade para aço inoxidável estrutural (CEN, 2006a)

Tipo Classe

Tensão de cedência

fy (MPa) Tensão última fu (MPa) Módulo de Elasticidade _{E (GPa)} t  12mm t  75mm t  12mm t  75mm Austenítico 1.4301 210 520 200 1.4401 220 530 520 200 1.4404 220 530 520 200 1.4571 220 540 520 200 Ferrítico 1.4003 280 250 450 220 Austenítico-ferrítico 1.4462 460 660 640 200

Tanto para o aço carbono como para o aço inoxidável, o coeficiente de Poisson é 0.3, e o módulo de distorção é calculado pela expressão:

2 (1 ) E G     (3.1)

A Parte 1-4 do EC3 (CEN, 2006a) apenas menciona a resistência ao fogo de elementos estruturais em aço inoxidável remetendo para a Parte 1-2 do mesmo (CEN, 2005b). Devido à sua natureza acidental, em situação de incêndio, deformações maiores do que as que

(48)

26

ocorrem à temperatura ambiente são aceitáveis. Assim, a Parte 1-2 sugere que a

temperaturas elevadas, a, se use como tensão de cedência a tensão correspondente a uma

extensão total de 2%, sendo fy,f2%,, para secções de classes 1, 2 e 3, e o limite convencional de proporcionalidade a 0,2%, fy,f0.2p,, para classe 4.

A relação tensão-extensão a altas temperaturas do aço inoxidável é necessária para determinar a capacidade de carga de uma estrutura em situação de incêndio. Tanto a temperaturas elevadas com à temperatura ambiente, as mudanças nas propriedades mecânicas do aço podem ser determinadas por ensaios de tração e flexão (Lopes, 2009). A proposta do Anexo C da Parte 1-2 do EC3 (CEN, 2005b) para a relação tensão-extensão prevê que esta possa ser determinada pelo parâmetros descritos na Tabela 3.

Tabela 3 Expressões para determinar a relação tensão-extensão para aço inoxidável a temperaturas elevadas(CEN, 2005b)

Domínio de extensões Tensão  Módulo tangente Et

c 1 b E a      2 (1 ) (1 ) b b b E a a b a            cu f_{0.2 ,}_p_  e ( / )d c c2 (_u_,_ )2 , 2 2 , ( ) ( ) u u d c c           Parâmetros c,  f0.2 ,p /Ea, 0, 002 Funções , , 0.2 , 0.2 , , a c p b p c E f a f          , , 0.2 , , , , , 0.2 , 0.2 , (1 / ) ( / 1) c ct p a c a c p p E f E b E f f                2 , , , , , ( _u _c ) _u _c ct e c E             _   _   2 2 , , , ( _u _c ) _ct d e  _  _ E _e 2 , 0.2 , , , , , 0.2 , ( ) ( ) 2( ) u p u c ct u p f f e E f f              

Por observação da Figura 13, em que se mostra a relação tensão-extensão do aço inoxidável, é possível distinguir duas zonas do gráfico. Na primeira zona observa-se um comportamento da relação tensão-extensão quase linear até atingir um limite de proporcionalidade e a segunda zona é uma curva que termina quando se atinge a tensão de rotura à tração.

(49)

27

Figura 13 Relação tensão-extensão do aço inoxidável a temperaturas elevadas (CEN, 2005b)

Esta relação tensão-extensão do aço inoxidável a temperaturas elevadas pode ser usada para determinar a resistência dos elementos em situação de incêndio. Assim como acontece no aço carbono, o aço inoxidável também sofre uma redução significativas das suas propriedades mecânicas quando é sujeito a temperaturas elevadas, sendo que no caso deste as reduções serão diferentes para cada classe de aço.

Na Figura 14 e na Figura 15 é apresentada uma comparação entre o fator de redução do módulo de elasticidade e tensão de cedência de aço carbono e aço inoxidável estrutural a temperaturas elevadas, para as classes presentes no EC3, em que, kE,e k0.2p, f0.2p,f (Lopes & Vila Real, 2014)

A variação do fator de redução do módulo de elasticidade, kE,com a temperatura mantem-se em todas as classes de aço inoxidável. A Figura 14 retrata a comparação desta propriedade entre aço inoxidável e o aço de carbono. É de destacar que, a temperaturas elevadas, o aço inoxidável exibe um comportamento mecânico muito melhor, no módulo de elasticidade, do que o aço carbono.

Por análise da Figura 15, a variação do fator de redução correspondente à tensão limite de proporcionalidade, para a classe 1.4003 de aço inoxidável, a única classe de aço inoxidável do grupo ferrítico referida no EC3, a temperaturas elevadas tem comportamento diferente das restantes classes (Lopes & Vila Real, 2014) .

(50)

28

Figura 14 Comparação do fator de redução kE, entre o aço inoxidável e o aço carbono

Figura 15 Comparação entre o fator de redução do módulo de elasticidade, a temperaturas elevadas, de algumas classes de aço inoxidável e aço carbono

3.3 Lei constitutiva segundo a proposta de revisão do Eurocódigo 3

A proposta de revisão do Eurocódigo 3 apresentada em setembro de 2018 pretende substituir o Anexo C da Parte 1-2 do EC3 (CEN, 2005b), passando as extensões a serem calculadas pelas expressões que se apresentam em baixo, em função de um intervalo de tensão. 0.2 , 0, 002 n p E f         _ _     para 0.2 ,p f _   _(3.2) 0.2 , , 0.2 , 0.2 , , 0.2 , 0.2 , 0.2 , 0.2 , , 0.2 , m p u p p u p p p p u p f f f f E E f f                 _    _  _      para 0.2 ,p u, f _   f _ _(3.3) Com:

(51)

Propriedades mecânicas do aço inoxidável a temperaturas elevadas 29 2, , , 1 u u f f   

   _{para aços inoxidáveis dos grupos austenítico e duplex} _(3.4)

2, , , 0,6 1 u u f f      _  _

  para aço inoxidável do grupo ferrítico (3.5)

n e m são os expoentes que definem o grau de não-linearidade do material à temperatura : 2, 0.2 , 0.2 , 0.2, , 0.2 , , 0.2 , 0.2 , 2, 0.2 , , 0.2 , 0.02 ln ln p p p u p u p p p u p f f E f f E m f f f f                    _ _                      _   

com 1,5 m_ para todos os tipos de

aço inoxidável

(3.6)

Os valores para o expoente n podem ser tomados como iguais aos valores de n para temperatura ambiente:

 n=7 para aços inoxidáveis do grupo austenítico  n=8 para aço inoxidável do grupo duplex  n=14 para aços inoxidáveis do grupo ferrítico

Da aplicação das fórmulas anteriores, resulta o gráfico da Figura 16, que traduz a nova lei constitutiva apresentada na proposta de revisão do EC3.

(52)

30

Na Figura 17, encontra-se representada, para a temperatura de 500ºC, a lei constitutiva, segundo o EC3 e segundo a proposta de revisão ao mesmo, para diferentes grupos de aço inoxidável, sendo possível observar as diferenças que a nova proposta de lei constitutiva introduzirá.

(a) (b)

(c)

Figura 17 Comparação entre a lei constitutiva apresentada no EC3 e a proposta de revisão, para 500ºC

Outra alteração que esta proposta apresenta é mudanças nos valore tabelados no Anexo C da Parte 1-2 para o fator de redução do módulo de elasticidade, kE,para o aço inoxidável da classe 1.4003. Uma comparação entre os valores atualmente usados e os que passarão a ser utilizados é feita na Figura 18.

(53)

31

Figura 18 Comparação entre o fator kE, para o aço inoxidável da classe 1.4003, segundo o EC3 e a nova proposta

3.4 Adaptação das curvas das leis constitutivas

Dado que, o programa SAFIR está construído para usar a curva da lei constitutiva do EC3, para que pudesse ser usado neste estudo, foi necessário adaptar a curva de forma a conseguir uma aproximação à lei constitutiva proposta para a nova geração do EC3.

A aproximação entre as duas curvas foi conseguida através da alteração de três parâmetros comuns às duas leis constitutivas (EC3 e proposta de revisão do EC3), nomeadamente, módulos de elasticidade, E, tensão de cedência a 20ºC, fy, e de tensão de rotura, fu. De modo a obter as melhores aproximações possíveis, foi aplicado o método dos mínimos múltiplos quadrados com auxílio do programa MATLAB. Para isso, foram criados ficheiros no programa com todos os parâmetros de entrada das curvas a aproximar. Na Figura 19 encontra-se um excerto dos dados que foram necessários inserir para construir a curva da lei constitutiva correspondente à nova geração do EC3.

(54)

32

Os resultados foram apresentados pelo programa através de gráficos, para que se tivesse uma real perceção do que estava a ser calculado pelo mesmo e de forma numérica como pode ser observado na Figura 20.

Figura 20 Exemplo dos resultados obtidos para aproximação das leis constitutivas para a temperatura de 600ºC e aço inoxidável da classe 1.4301

Depois de terem sido obtidos valores para todos os casos que se pretendiam estudar, todos os resultados foram inseridos numa folha de cálculo e novamente foram obtidos gráficos de comparação entre a lei constitutiva do EC 3, a lei constitutiva da nova geração do EC3 e a curva desenvolvida para adaptação ao programa SAFIR. Assim, pretendeu-se assegurar que os valores mais tarde obtidos pelo SAFIR fossem o mais perto da realidade e com a máxima precisão possível.

3.4.1 Lei constitutiva para o aço inoxidável 1.4301

Através da aproximação numérica realizada com auxílio do programa MATLAB, foram realizadas curvas de adaptação da lei constitutiva que seriam introduzidas no programa SAFIR.

Na Figura 21 encontra-se a adaptação conseguida para a lei constitutiva do aço inoxidável da classe 1.4301 para as diferentes temperaturas que serão avaliadas. Foi tido em conta que a aproximação das curvas deveria ser na zona aproximadamente elástica tanto para esta classe de aço como para as aproximações que se seguirão.

(55)

33

Figura 21 Leis Constitutivas para o aço 1.4301

Da Tabela 4 à Tabela 7 são apresentados os valores tabelados kE,ku,e ky,ou k2, para a nova geração do EC3) que dão origem à lei constitutiva do aço inoxidável 1.4301.

Tabela 4 Valores tabelados para aço inoxidável de classe 1.4301 à temperatura de 400ºC

kE, ku, ky,ouk2,

EC3 _0.84 0.72 0.82

Nova geração do EC3 0.66 0.78

EC3 _0.80 0.67 0.75

kE, ku, ky, ouk2,

EC3 _0.76 0.58 0.70

kE, ku, ky, ouk2,

EC3 _0.71 0.43 0.57

A representação da adaptação para a lei constitutiva do aço inoxidável de classe 1.4462 está representada na Figura 22.

(56)

34

Os valores tabelados que definem a lei constitutiva do aço inoxidável de classe 1.4462 para as temperaturas a estudar estão enunciados da Tabela 8 à Tabela 11.

EC3 _0.84 _0.82 0.84

Nova geração do EC3 0.76

Tabela 9 Valores tabelados para aço inoxidável de classe 1.4462 á temperatura de 500ºC

EC3 _0.80 _0.71 0.75

EC3 _0.76 0.57 0.64

EC3 _0.71 _0.38 0.43

Para lei constitutiva do aço inoxidável de classe 1.4003, foi mais difícil chegar a adaptações tão próximas como as feitas para as leis anteriores, por ser a que regista maiores diferenças entre o atual EC3 e a nova geração. Na Figura 23 representa a adaptação para zona aproximadamente elástica realizada para cada uma das temperaturas estudadas.

(57)

35

Devido ás diferenças tão acentuadas entres a lei constitutiva do atual EC3 e a sua nova geração para a temperatura de 600ºC e 700ºC, quando se realiza a aproximação das curvas para a zona aproximadamente elástica não se consegue proximidade na zona plástica. Por conseguinte, foi realizada uma aproximação tendo em vista uma adaptação para a zona plástica como se mostra na Figura 24.

Figura 24 Leis Constitutivas para o aço 1.4003 para as temperaturas de 600ºC e 700ºC

Para as temperaturas de 400ºC a 700ºC, as tabelas abaixo apresentam os valores tabelados para a lei constitutiva do aço inoxidável de classe 1.4003 no EC3 e para a sua nova geração.

(58)

36

EC3 0.84 0.83 1.16

Nova geração do EC3 0.86 0.84 1.05

EC3 0.80 0.81 1.06

EC3 0.76 0.42 0.59

EC3 0.71 0.21 0.28

3.5 Considerações finais

Neste capítulo, foram apresentadas as propriedades mecânicas a temperaturas elevadas do aço inoxidável.

Após se analisar as leis constitutivas que são objeto de estudo, foi necessário realizar uma adaptação da curva proposta para a nova geração da Parte 1-2 do Eurocódigo 3 de modo a que fosse possível o emprego do programa de análise numérica SAFIR dado que, este foi concebido para trabalhar com a lei atual do EC3.

(59)

Capítulo 4

(60)

(61)

Resistência estrutural ao fogo

4.2 Regras de cálculo

4.3 Análise numérica

(62)

(63)

41

4. RESISTÊNCIA ESTRUTURAL AO FOGO 4.1 Considerações gerais

Quando submetido a temperaturas elevadas, o aço apresenta um desempenho reduzido. A sua elevada condutividade térmica permite que a temperatura se propague de maneira rápida e que as suas propriedades mecânicas sofram uma drástica degradação. Assim, é fundamental avaliar a resistências de elementos metálicos quando sujeitos a temperaturas elevadas como as ocorridas em situação de incêndio, com objetivo de manter a segurança das estruturas metálicas, salvaguardando pessoas e bens (Vila Real, 2003).

O tempo de exposição do aço a essas temperaturas é um fator crítico na situação de incêndio e os ensaios convencionais realizados não fornecem dados concretos que possam

ser usados em projeto(Kosmač, 2012).

As estruturas metálicas tornam-se bastante suscetíveis numa situação de incêndio, assim, e devido as funções que estas não podem deixar de exercer é, portanto, necessário evitar o seu colapso prematuro quando expostas ao fogo (SCI, 2017).

Os estudos realizados sobre o comportamento do aço inoxidável a temperaturas elevadas, demonstram que os aços austeníticos geralmente retêm uma maior proporção da sua resistência mecânica comparativamente ao aço carbono, acima de 500ºC. Por outro lado, todos os grupos de aço inoxidável conservam melhor a sua rigidez que o aço carbono para todas as gamas de temperaturas (Kosmač, 2012).

Para verificar a resistência ao fogo, são geralmente usados métodos de cálculo simplificados que se aplicam a elementos individuais e são baseados em hipóteses conservativas.

O EC3 prevê a aplicação de métodos de cálculo avançados baseados em modelos de elementos finitos. Estes modelos permitem dar resposta a problemas complexos, uma vez que permitem reproduzir o comportamento de estruturas tendo em conta a geometria e os materiais que a constituem.

Para aplicação dos métodos de cálculo avançados de modo a obter resultados analíticos das secções estudadas nesta dissertação, foi utilizado o programa de análise SAFIR, considerando elementos finitos viga com lei constitutiva unidimensional.

(64)

42

4.2 Regras de cálculo

Nos subcapítulos seguintes serão apresentadas regras de cálculo para a resistência da secção transversal e do elemento, segundo o Eurocódigo 3 e segundo a sua proposta de revisão.

4.2.1 Resistência da secção

4.2.1.1 Segundo o Eurocódigo 3

Para averiguar a resistência da secção transversal, é necessário primeiro classificá-la. A classificação da secção transversal (Classe 1 a 4) tem como propósito identificar até que ponto a resistência e a capacidade de rotação da mesma são limitadas pela sua resistência à encurvadura local, o que depende da relação entre a largura e a espessura dos elementos sujeitos a compressão.

Numa secção transversal, é possível que a alma e os banzos sejam de classes diferentes, sendo que a secção é classificada segundo a maior classe obtida.

Segundo o Eurocódigo 3, a temperaturas elevadas é aplicada a secção efetiva calculada para a temperatura ambiente.

Em situação de incêndio, a classificação das secções transversais é feita como para a temperatura ambiente, mas com o valor  obtido pela expressão:

0.5 0.5 , , 235 210000 E y y k E f k     _   _{ } _     (4.1)

A Parte 2 do EC3 (CEN, 2005b) considera que o valor de  a temperaturas elevadas é dado

pela expressão abaixo, não tendo em conta os fatores de redução kE, e ky,, valores que

reduzem a tensão de cedência e o modulo de elasticidade do aço.

0.5 235 0.85 210000 y E f   _ _   (4.2)

Apesar de não ser o mais correto, a constante 0.85 pretende ter em conta as influências devidas ao aumento da temperatura, mas a sua utilização significa considerar que todas as classes de aço inoxidável têm o mesmo valor de tensão de cedência e módulo de elasticidade.

A Figura 25 retrata a contante 0.85 e os valores obtido pela relação (kE, / ky,)0.5 para cada classe de aço inoxidável. É importante destacar que o uso desta constante está do lado da segurança, podendo em algumas situações ser demasiado conservativa.

(65)

43

Figura 25 Comparação dos valores da relação (kE, / ky, )0.5 para cada classe de aço inoxidável com a constante 0,85

Para o cálculo da resistência da secção em situação de incêndio, segundo a Parte 1-2 do EC3, deve ser considerada uma temperatura uniforme na secção, modificando o valor de cálculo da resistência a temperatura normal obtido pelas expressões da Parte 1-1 (CEN, 2005a), para que se tenha em conta propriedades mecânicas do aço a altas temperaturas. Assim, admitindo que a capacidade resistente de um elemento de aço se mantem após um instante t, a condição a ser satisfeita é Efi,d Rfi,d,t , onde Efi,d representa o valor de cálculo dos efeitos das ações em situação de incêndio e Rfi,d,t representa o valor se cálculo da resistência do elemento, em situação de incêndio, no instante t.

4.2.1.2 Segundo a proposta de revisão do Eurocódigo 3

A proposta de revisão do Eurocódigo 3 (CEN, 2018) refere que os elementos comprimidos da secção transversal devem ser classificados com base na sua esbelteza a temperaturas elevadas.

A classe da secção transversal é considerada esbelta se qualquer um dos seus elementos, alma ou banzo, for classificado como esbelto e, caso contrário, é considerada com não esbelta somente se todos os elementos comprimidos que a constituem assim forem classificados.

A Tabela 16 apresenta as propriedades da secção a serem usadas na determinação da resistência de acordo com a sua classificação.

(66)

44

Tabela 16 Propriedades da secção para determinação da resistência

Classe Não esbelto Esbelto Área da secção Ai A Aeff

Módulo flexão da secção Wy Wpl,y Weff,y

Módulo flexão da secção Wz Wpl,z Weff,z

À semelhança do que acontece no atual Eurocódigo 3, nesta proposta é necessário determinar larguras efetivas, sendo que neste caso, serão larguras efetivas de secções classificadas como esbeltas. Na Parte 1-5 do EC3 (CEN, 2006b) são dadas as expressões necessárias para o cálculo da largura efetiva, aplicadas a secções classificadas com classe 4, que têm em conta as reduções de resistência devidas aos efeitos de encurvadura. Nesta proposta, secções classificadas como esbeltas continuam a ter a sua largura efetiva calculada com a Parte 1-5 do EC3, à exceção dos fatores de redução, que terão novas fórmulas em função de serem elementos comprimidos internos ou salientes e dependendo do grupo de aço inoxidável ao qual pertençam.

Tal como acontece no EC3, a proposta de revisão também propõe que para valor de  a

temperaturas elevadas se utilize uma expressão com uma constante de forma a simplificar os cálculos. Na Figura 26, encontra-se um gráfico que representa os valores obtido pela relação (kE,/ky,)0.5 e a constante que passa a ser 1.00 para aços inoxidáveis dos grupos austenítico I e II, duplex I e II e ferrítico I e, 1.10 para os grupos austenítico III e ferrítico

II. É de destacar que esta constante ajusta-se melhor aos valores obtidos pela relação (kE,

/ky,)0.5 para a maioria dos casos, estado do lado da segurança.

(a) (b)

Figura 26 Comparação dos valores da relação (kE, / k2, )0.5 para cada classe de aço inoxidável com a respetiva

constante

Uma das mudanças de cálculo introduzidas pela proposta de revisão ao Eurocódigo 3 é que o fator de redução para a tenção de cedência, ky,, seja substituído pelo fator homónimo, k2,, que se encontrará tabelado no novo Anexo C da Parte 1-2. Através da